卡位「下一代」存儲，一文看懂富士通FRAM、NRAM、ReRAM產品線

車載存儲需求的增長，開始引起越來越多存儲器廠商的重視。儘管汽車應用領域對安全性的要求嚴苛，要進入得克服許多挑戰，但仍然有眾多廠商殺入車載存儲領域。

目前，美光除了供應汽車ADAS、儀錶盤、信息娛樂系統需要的DDR3/4和LPDDR3/4外，還增加了eMMC 5.0量產，提供8GB~128GB容量以應對大容量存儲的需求，以及高端需求的SSD。在推廣新一代3D NAND之際，東芝計劃將3D NAND導入汽車領域。東芝認為車載存儲的容量將進一步擴大。這是採用3D NAND的重要契機。富士通則計劃將FRAM鐵電隨機存儲器推向汽車領域。富士通認為車載電子控制系統對於存取各類感測器資料的需求持續增加，因此對於高效能非易失性內存技術的需求也越來越高。

目前針對車載存儲的主流廠商及產品線介紹

在第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產業和技術展望研討會上，富士通電子元器件產品管理部總監馮逸新對《國際電子商情》記者介紹了其FRAM鐵電存儲器，具有像E2PROM一樣的非易失性的優勢，在沒有電源的情況下可以保存數據。

FRAM是車載存儲最佳選擇？

據了解，自從1999年開始，富士通推FRAM產品已經連續推了18年，應該說已經有不少客戶採用並認可了FRAM產品。到2017年10月，富士通FRAM做到了3500Mpcs的產量。

至於富士通為什麼這麼迫切的推FRAM也可以理解，富士通控制著FRAM的整個生產程序；在日本的晶元開發和量產及組裝程序。

「可以說FRAM車規級是滿足汽車電子可靠性和無延遲要求的最佳存儲器選擇。」馮逸新這麼對《國際電子商情》記者表示。

為什麼這麼說？這就要從FRAM的產品特性開始說起。FRAM的學術名字叫做FERAM，利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲，其的特點是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如EEPROM的最大寫入次數的問題；但受鐵電晶體特性制約，FRAM仍有最大訪問（讀）次數的限制。

FRAM在耐久性、讀寫速度、功耗等各方面吊打EEFROM和FLASH，無奈致命傷是太貴

FRAM性能比EEPROM好的地方在於三點：1.壽命，讀寫的次數比較多， EEPROM和flash都達不到EEFROM的讀寫次數；2.功耗，同樣寫入64byte的數據，FRAM的功耗僅僅是EEPROM的1/100，這樣功耗越低，電池的使用壽命就越長；3.讀寫速度，FRAM的寫入速度可以達到納米秒，寫入一個數據的時間僅僅是EEPROM的1/3000。這麼快的讀寫速度帶來的另一個意想不到的好處就是瞬間斷電的時候，FRAM的數據已經寫入，而EEPROM肯定數據丟失。

看到這裡，大家是不是很激動了呢？跟FRAM比EEFROM簡直就是戰五渣啊！可是為什麼用FRAM的客戶還是少數呢？這就要談到價格問題了。並不是技術好的產品就會流行，消費者更看重性價比。FRAM的Logic部分比重太大，成本難以降低是一個難點。此外，相比EEPROM，FRAM的存儲容量實在是有一點捉急（4Kbit~16Mbit）。在工藝上，FRAM也很難突破100nm，因此大數據的存儲還是更適合留給FLASH或者EEFROM，畢竟兩者分工不同。

那麼什麼樣的應用更適合FRAM而非EEFROM呢？馮逸新認為，如果對存儲容量沒有太高要求，而又需要頻繁的記錄重要數據，又不希望數據在斷電中無法保護，這種應用比較適合FRAM。比如汽車中用到的黑匣子，主要記錄剎車信息以及事故前幾秒的情況。「在日本、在歐洲、在韓國如果你把發動機關了，或者意外事故掉地上了，當前的模式、當前的狀態一定記下來，比如說進入隧道的時候，進入隧道那個通信沒了，會先記錄下來。中國我訪問了很多的公司，還不需要，但未來還是一個市場。」馮逸新表示。

馮逸新表示，富士通車規級的FRAM可滿足工作溫度125℃，符合AEC-Q100 Grade 1測試標準，更適合用來存儲各種感測器帶來的數據，如車載信息娛樂系統中的GPS等數據，記錄安全氣囊的數據，在行車過程中以1次/0.15秒或1次/1秒的速度記錄CAN通信數據；在電池管理系統中以每秒或每0.1秒的頻率記錄電池單元的電壓，溫度和電流等數據，監控電池的短期和長期性能狀態；在胎壓監測系統中實時記錄輪胎壓力。據介紹，目前FRAM已經在一些歐洲Tier 1的車廠中採用。

此外，FRAM也非常適合用到新能源汽車的電池管理系統BMS中。目前中國已經有一些客戶如比亞迪已經開始採用富士通的SPI 256kbit 和I2C 256 kbit的FRAM。

整車控制單元VCU也是一個很重要的關鍵元件，目前中國的新能源汽車和低速代步車的VCU中已經開始使用64kbit SPI FRAM。

FRAM還有一個重要的應用是在RFID中。由於FRAM對各種宇宙射線的抗干擾性很強，而很多醫療行業的起居需要通過射線殺菌，EEPPOM受到射線照射很容易出現數據丟失的情況，而FRAM就不用擔心這個問題。

筆者認為，除了適合車載存儲外，只要是對於高耐久性、高讀寫速度以及低功耗三大特性有需求的應用，如表計、醫療、呼吸機、汽車電子、遊戲機等，都可以採用FRAM。未來隨著FRAM成本的降低以及容量的提升，應該可以與EEPRM和FLASH形成更好的互補，而非互相取代的關係。

成本更低的NRAM何時能夠量產？

馮逸新表示，從短期來看FRAM的成本問題比較難解決，相對來說NRAM更有希望降低成本。這裡又要科普一下什麼叫NRAM？

NRAM由美國Nanteo公司發明，相較於當前的普通內存，NRAM晶元的具有非常強大的優勢。除了讀寫速度是普通快閃記憶體的1，000倍(Nanteo官網上表示是1，000倍)之外，同時可提供功耗更低，更具可靠性與耐用性的內存，而且生產成本更低。NRAM也可以用來當做儲存晶元使用，而且因為其特性為非揮發性，所以就算斷電也不會清除儲存在上面的信息。NRAM可以應用在任何系統，不但可以做數據存儲，也可以做程序存儲。與FRAM相比，NRAM的工作溫度更是高達150℃，這意味著市場更大，可以直接用到汽車發動機周邊電子產品。在待機模式下，NRAM的功耗幾乎接近於0。

在規格密度上，NRAM類似或接近於FRAM，但是存儲密度遠高於FRAM，在核心尺寸上，NRAM的尺寸比FRAM更小。總體來說，在高溫操作、數據保持、高速書寫上，NRAM都具有較大優勢。NRAM繼承了NOR Flash的一些特點還有FRAM的特點，在成本上跟EEPROM接近，這使得NRAM有機會進入消費類市場。

BCC Research預計，全球NRAM市場將從2018年到2023年實現62.5%的複合年成長率(CAGR)，其中嵌入式系統市場預計將在2018年達到470萬美元，到了2023年將成長至2.176億美元，CAGR高達115.3% 。 不過看似優點多多的NRAM也不是不存在問題，儘管Nantero公司早在2006年就宣布退出NRAM產品，但業界一直期待的NRAM遲遲不能量產。2016年，富士通半導體和三重富士通半導體共同宣布與Nantero公司達成協議，授權該公司的碳納米管內存(NRAM)技術，三方公司未來將致力於NRAM內存的開發與生產。藉由三方面的合作，將在2018年推出藉由55納米製程所生產的NRAM內存。BCC Research指出有幾家獨立內存公司、手機與可穿戴設備公司可能導入NRAM技術，但Fitzgerald說，這些公司至今並未透露任何細節。

第四種被動元器件ReRAM

除了以上兩種存儲，第三個要重點提到的是ReRAM。什麼是ReRAM?業界常說的被動電路元件有三種：電阻器、電容器和電感器；任教於加州大學伯克利分校，並且是新竹交通大學電子工程系榮譽教授的蔡少堂（Leon Chua）在多年前預測有第四個元件的存在，即憶阻器（memristor），實際上就是一個有記憶功能的非線性電阻器。他在1971年發表了《憶阻器：下落不明的電路元件》論文，提供了憶阻器的原始理論架構，推測電路有天然的記憶能力，即使電力中斷亦然。

憶阻器跟人腦運作方式頗為類似，可使手機將來使用數周或更久而不需充電；使個人電腦開機後立即啟動；筆記型電腦在電池耗盡之後很久仍記憶上次使用的信息。基於以上理論基礎，業界研發了一種新型的非揮發ReRAM(電阻式記憶體)。將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結合於一身。換句話說，關閉電源後存儲器仍能記住數據。

ReRAM為非易失性內存，藉由電壓脈衝於金屬氧化物薄膜，產生的大幅度電阻變化以記錄1和0。其製程化繁為簡，由兩電極間簡易金屬氧化物架構組成，使其同時擁有低功耗和高寫入速度的優點。

松下半導體於2013年即開始量產配備ReRAM的微型計算機。2016年，富士通電子元器件（上海）有限公司推出業界最高密度4 Mbit ReRAM（可變電阻式存儲器）產品MB85AS4MT。此產品為富士通半導體與松下電器半導體合作開發的首款ReRAM存儲器產品。據了解，中芯國際已正式出樣採用40nm工藝的ReRAM晶元，並稱更先進的28nm工藝版很快也會到來。

包含鈦鎳氧化物結構的ReRAM，在刷寫時只需要100mA的電流甚至更少，相比傳統ReRAM，研究人員還降低了90%的波動電阻值，這一技術指標在反覆高速寫入和擦除時會影響產品質量和壽命。ReRAM的功耗更低，比現有手機採用的NAND型存儲速度快約1萬倍。實用化後，將提高手機下載高畫質動畫速度，並且消耗更低的電量，從而可以延長手機的使用時間。

據介紹，ReRAM密度比DRAM內存高40倍，讀取速度快100倍，寫入速度快1000倍。ReRAM單晶元（200mm左右）即可實現TB級存儲，還具備結構簡單、易於製造等優點。ReRAM存儲晶元的能耗可達到快閃記憶體的1/20，數據擦寫上限是後者的10倍。作為存儲器前沿技術，ReRAM未來預期可以替代目前的FlashRAM，並且具有成本更低、性能更突出的優勢。相比EEPROM，ReRAM的存儲容量比較大一些，核心尺寸比較小一點。

幾種不同存儲技術的參數對比

作為下一代存儲的代表，富士通力推的FRAM、NRAM、ReRAM三種存儲技術各有特色和不同的應用市場。從存儲容量來看，傳統的NAND Flash和NOR Flash最具優勢，因此在對容量需求量較高的消費類市場更為常見，但是涉及到寫入耐久度等需求的時候，下一代存儲產品開始展露優勢。

簡單來說，如果需要無延遲、耐久性的設計，FRAM更適合，主要用來取代EEPROM。如果不需要更多的寫入次數，同時對於容量要求高一點，則可以選擇ReRAM。NRAM則介於ReRAM和FRAM之間，可以部分取代NOR Flash。

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